1 - Technik elektronik

Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych
Nr 3 w Zamościu
PRACOWNIA ELEKTRONICZNA
-LABORATORIUM ELEKTRONIKI ANALOGOWEJ I CYFROWEJ-
Temat: Praktyczne przykłady
wykorzystania bramek logicznych
Praktyczne wykorzystanie bramek logicznych
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie przykładowych układów zbudowanych z wykorzystaniem bramek logicznych
wykonanych w technologii TTL i CMOS.
2. Wymagane wiadomości
- rodzaje funktorów logicznych i ich tabele prawdy,
- budowa przekaźnika elektromagnetycznego i jego przeznaczenie,
- zasada działania analogowych kluczy tranzystorowych
3. Spis przyrządów
-
zasilacz stabilizowany,
-
zestaw laboratoryjny do badania układów cyfrowych
4. Wiadomości podstawowe
4.1. Układy współpracy z zestykami
Zestyki przekaźników, przełączników, wyłączników krańcowych często są wykorzystywane jako źródła
informacji wejściowej cyfrowych urządzeń automatyki. Wadą zestyków jest wytwarzanie drgań w czasie
przełączania. W zależności od typu zestyków drgania te mogą trwać od kilku mikrosekund do kilku milisekund.
Gdyby sygnał z przełącznika bezpośrednio doprowadzić do wejścia bramki, wówczas na jej wyjściu pojawiłby
się przypadkowy ciąg zero jedynkowy.
Prosty układ współdziałający z zestykiem przełączanym przedstawiono na rysunku nr 1. Układ ten
zawiera filtr dolnoprzepustowy. Stała czasowa RC układu powinna być tak dobrana, aby przełączenie bramki
nastąpiło po zaniku drgań zestyku.
2
Praktyczne wykorzystanie bramek logicznych
Jeden ze sposobów wyeliminowania drgań zestyków polega na użyciu przerzutnika asynchronicznego
rys2. Po zmianie położenia przełącznika następuje zmiana stanu przerzutnika i wówczas drgania zestyków nie
mają wpływu na działanie układu.
4.2. Współpraca układów TTL (CMOS) z tranzystorem
Typowe układy TTL i CMOS nie są przystosowane do sterowania odbiorników dużej mocy. W takim
przypadku elementem pośredniczącym między wyjściem układu cyfrowego a odbiornikiem jest wzmacniacz
tranzystorowy. Układy sterowania tranzystora z bramki z wyjściem przeciwsobnym pokazano na rys.3.
tranzystor przewodzi wówczas, gdy bramka sterująca jest w stanie wysokim. Rezystor R umieszczony w
obwodzie bazy tranzystora pozwala ustalić prąd bazy na pożądanej wartości. Dobiera się go w taki sposób, aby
prąd bazy IB był nie więcej niż β razy mniejszy od prądu kolektora tranzystora IC (β jest wzmocnieniem
prądowym tranzystora). Od wartości tego prądu zależy, czy tranzystor znajdzie się w obszarze pracy aktywnej
czy w obszarze nasycenia.
4.3. Współpraca układów TTL (CMOS) z przekaźnikiem
Bardzo często elementem sterowanym z wyjść układów cyfrowych jest przekaźnik. Zwarcie jego
zestyków roboczych powoduje bezpośrednie załączenie odbiornika mocy. Podstawową zaletą przekaźnika jest
separacja galwaniczna (brak połączenia metalicznego) obwodu sterującego od obwodu sterowanego. Inną
coraz częściej stosowaną metodą oddzielenia galwanicznego obwodów jest stosowanie elementów
optoelektronicznych (np. transoptorów). Niewielkie przekaźniki ( o niedużym napięciu i prądzie cewki) można
3
Praktyczne wykorzystanie bramek logicznych
sterować bezpośrednio, przy użyciu bufora typu OC. Przekaźniki o większej mocy obwodu sterującego będą
załączane za pośrednictwem dodatkowego tranzystora (rys.4).
Równolegle z cewką przekaźnika należy zawsze włączyć diodę, której zadaniem jest likwidowanie
przepięć powstających w chwili wyłączania prądu cewki. W chwili wyłączania prądu cewki indukuje się
SEM (siła elektromotoryczna), usiłująca podtrzymać przepływ prądu. Pryz braku diody przeciw-napięciowej
SEM może być przyczyną uszkodzenia elementów załączających prąd cewki, a w najlepszym przypadkuźródłem zakłóceń działania układu cyfrowego. W czasie normalnej pracy, gdy przez cewkę przekaźnika płynie
prąd, dioda jest spolaryzowana zaporowo i nie ma żadnego wpływu na pracę układu. W chwili wyłączania
prądu cewki napięcie indukujące się w niej ma zwrot zgodny z prądem (usiłując podtrzymać przepływ prądu),
czyli polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia. Napięcie to nie może teraz osiągnąć dużych wartości, gdyż
dioda ogranicza je do napięcia przewodzenia UF=0,6-0,7V. Energia zgromadzona w polu magnetycznym
rozładowuje się w obwodzie cewka-dioda, nie powodując dzięki temu negatywnych zjawisk.
5. Przebieg ćwiczenia
5.1. Analiza działania układu sterowania przekaźnikiem z układem eliminacji drgań styków
Uz=5V
U1=5V
D1
1N4148
P1
R2
Pk1
S1
Z1
R3
T1
100k
R1
C1
3k9
BC547
U=12 V
10k-100k
0,47u-10u
"1"
Rys.5. Schemat układu sterowania
4
Praktyczne wykorzystanie bramek logicznych
Najprostszy praktyczny układ sterowania wykorzystujący bramkę logiczną NAND oraz zawierający układ
eliminacji drgań styków pokazano na rysunku 5. Zastosowane wartości elementów nie są krytyczne- można
zwiększać rezystancję i pojemność.
5.2. Analiza działania cyfrowego układu włącz-wyłącz z wykorzystaniem przerzutnika asynchronicznego
Uz=5V
U1=5V
R1
R2
10k-100k
10k-100k
P1
D1
1N4148
Pk1
S1
Z1
R3
T1
3k9
BC547
U=12 V
P2
Rys.6. Układ ON/OFF wykorzystujący bramki logiczne NAND
Pokazany układ służy do sterowania obciążeniem za pomocą dwóch przycisków (załącz/wyłącz). Powyższy
układ może być wykorzystany jako samodzielny blok sterujący, ale może też stanowić część wykonawczą
większego
systemu.
Układ
jest
również
praktycznym
przykładem
wykorzystania
przerzutnika
asynchronicznego do eliminacji drgań styków.
5.3. Analiza działania układu sterowania ON/OFF z wykorzystaniem funktorów logicznych NOT
5
Praktyczne wykorzystanie bramek logicznych
6